明尼苏达大学双城分校的一个研究小组首次合成了一种独特的拓扑半金属材料薄膜,这种材料有可能在大幅降低能耗的同时产生更强的计算能力和内存存储能力. Darüber hinaus untersuchte das Team das Material sorgfältig und gewann wichtige Einblicke in die Physik hinter seinen einzigartigen Eigenschaften.
Die Forschung wurde kürzlich in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Wie der jüngste CHIPS and Science Act in den Vereinigten Staaten zeigt, besteht ein wachsender Bedarf, die Halbleiterfertigung zu steigern und die Forschung zur Entwicklung der Materialien zu unterstützen, die elektronische Geräte überall antreiben. Während herkömmliche Halbleiter heute die Technologie hinter den meisten Computerchips sind, sind Wissenschaftler und Ingenieure immer auf der Suche nach neuen Materialien, die mit weniger mehr Leistung erzeugen können, um die Elektronik besser, kleiner und effizienter zu machen.
Ein mögliches Material für diese neue Klasse verbesserter Computerchips ist eine Klasse von Quantenmaterialien, die als topologische Halbmetalle bezeichnet werden. Die Elektronen in diesen Materialien verhalten sich auf unterschiedliche Weise und verleihen den Materialien einzigartige Eigenschaften, die bei typischen Isolatoren und Metallen, die in elektronischen Geräten verwendet werden, nicht zu finden sind. Daher werden diese Materialien für den Einsatz in spintronischen Geräten untersucht. Spintronische Geräte sind eine Alternative zu herkömmlichen Halbleitergeräten, die den Spin von Elektronen statt elektrischer Ladung nutzen, um Daten zu speichern und Informationen zu verarbeiten.
In der neuen Studie hat ein interdisziplinäres Forschungsteam an der University of Minnesota ein solches Dünnschichtmaterial erfolgreich synthetisiert und sein Potenzial für hohe Leistung und geringen Energieverbrauch nachgewiesen.
„Diese Studie zeigt zum ersten Mal, dass es möglich ist, mithilfe einer magnetischen Dotierungsstrategie von einem schwachen topologischen Isolator zu einem topologischen Halbmetall überzugehen“, sagte Jianping Wang, leitender Autor der Arbeit, Distinguished Professor an der McKnight University und Robert Hartmann Chair Professor am Department of Electrical and Computer Engineering der University of Minnesota. „Wir suchen nach Möglichkeiten, die Lebensdauer elektronischer Geräte zu verlängern und gleichzeitig den Energieverbrauch zu senken, und wir versuchen, dieses Ziel mit nicht-traditionellen, unkonventionellen Methoden zu erreichen.“
多年来, 研究人员一直在研究拓扑材料, 但明尼苏达大学的研究团队是第一个使用获得专利、与工业兼容的溅射工艺来制造这种薄膜形式半金属的团队. Wang sagte, dass die Technologie aufgrund der Kompatibilität ihres Prozesses mit der Industrie leichter übernommen und für die Herstellung realer Geräte verwendet werden könne.
„在我们的生活中, 每天都在使用电子设备, 从手机到洗碗机, 再到微波炉。它们都使用芯片.一切都需要消耗能源，"该论文的资深作者、明尼苏达大学化学工程与材料科学系雷-约翰逊（RayD.andMaryT.Johnson）讲座教授安德烈-姆霍扬（AndreMkhoyan）说. „Die Frage ist, wie wir den Energieverbrauch minimieren können? Diese Forschung ist ein Schritt in diese Richtung. Wir entwickeln eine neue Klasse von Materialien mit ähnlichen oder sogar besseren Eigenschaften, aber mit geringerem Energieverbrauch.“
Da die Forscher ein so hochwertiges Material geschaffen haben, konnten sie auch seine Eigenschaften und seine Einzigartigkeit sorgfältig analysieren.
„Aus physikalischer Sicht besteht einer der wichtigsten Beiträge dieser Arbeit darin, dass wir einige der grundlegendsten Eigenschaften dieses Materials untersuchen konnten“, sagte Tony Low, leitender Autor der Arbeit und Paul Palmberg Associate Professor am Department of Electrical and Computer Engineering der University of Minnesota. „Normalerweise erhöht sich der Längswiderstand des Materials, wenn man ein Magnetfeld anlegt, aber bei diesem speziellen topologischen Material haben wir vorhergesagt, dass der Längswiderstand abnehmen würde. Wir konnten unsere Theorie mit gemessenen Transportdaten untermauern und bestätigen, dass es tatsächlich einen negativen Widerstand gibt.“
十多年来, Low、Mkhoyan和Wang一直在合作研究用于下一代电子器件和系统的拓扑材料--如果没有他们各自在理论和计算、材料生长和表征以及器件制造方面的专业知识的结合,这项研究是不可能实现的. „Die Erforschung eines so wichtigen und herausfordernden Themas erfordert nicht nur eine inspirierende Vision, sondern auch große Geduld und eine Gruppe engagierter Teammitglieder aus vier Disziplinen, die es ermöglichen werden, diese Technologie vom Labor in die Industrie zu übertragen“, sagte Wang.